Ядерно магнитный каротаж реферат

Обновлено: 04.07.2024

Ядра химических элементов, обладающие магнитными свойствами, стремятся ориентироваться своими магнитными моментами вдоль внешнего магнитного поля, в связи с чем возникает явление ядерной намагниченности. Как только внешнее поле исчезает, начинает исчезать ядерная намагниченность и ядра прецессируют,т. е. свободно колеблются, возвращаясь к своей первоначальной ориентации, с амплитудой, затухающей во времени по экспоненциальному закону.

Ядерно-магнитный каротаж (ЯМК) основан на изучении свободной прецессии ядер водорода. Принцип измерения состоит в следующем. В исследуемую среду помещается датчик 4 в виде соленоида с сердечником прямоугольного сечения зонда 1 (рис. 10 а).

При пропускании через соленоид постоянного тока силой 0,7 – 1,0 А вокруг него создается магнитное поле, под воздействием которого ориентируются магнитные моменты ядер элементов окружающей среды. При выключении тока поле поляризации исчезает и ядра элементов окружающей среды прецессируют, создавая свое электромагнитное поле. Напряженность этого поля измеряется этим же или другим соленоидом, в котором возникают электрические синусоидальные колебания, затухающие во времени и называемые сигналами свободной прецессии (ССП).

Время t₁, характеризующее скорость нарастания ядерной намагниченности, называется временем продольной релаксации (1), время t₂ – скорость затухания сигнала – называется временем поперечной релаксации.

Амплитуда сигнала свободной прецессии Е₀ затухает (рис. 10 б) во времени по экспоненциальному закону.

На величину сигнала свободной прецессии (ССП) оказывают влияние только находящиеся в составе свободной подвижной жидкости ядра водорода (вода, нефть), обладающие достаточно большим магнитным моментом, чтобы создать ЭДС, которая может быть измерена в скважинных условиях. Связанная вода, битум (2), асфальтены (3) образуют столь быстро затухающие ЭДС, что их присутствие в исследуемой среде на результаты измерений практически не влияет. Благодаря этому метод ядерно-магнитного каротажа помогает выделять в разрезе скважины интервалы с эффективной пористостью (4).

Рис. 10 Блок-схема аппаратуры ЯМК (а) и характер изменения ССП (б)

Нижняя часть скважинного прибора аппаратуры ЯМК состоит из полихлорвиниловой трубы, заполненной маслом. Здесь размещаются основной и эталонировочный датчики 1 и 4 (см. рис. 10 а). В верхней – металлической части скважинного прибора размещена электронная схема усилителя 2 и коммутации 3. Периодически с частотой 0,1 – 2,0 Гц основной датчик с помощью электронного коммутатора 3, 6 поочередно подключается то к источнику тока 8 (сила тока поляризации составляет около 3 А), то к усилителю 2, усиливающему и передающему на поверхность сигналы свободной прецессии E_t. На поверхности после усиления 5 и выпрямления 7 сигнал регистрируется в виде кривой ЯМК в функции глубины регистратором 9 (рис. 10 а).

Величина Е₀ калибруется с помощью эталонировочного датчика в единицах, называемых индексом свободного флюида – ИСФ (отношение Е₀ образца породы к Е_д дистиллированной воды). Кривые ЯМК регистрируются в масштабе ИСФ – %.

В благоприятных условиях ЯМК обеспечивает решение следующих геологических задач: выделение в разрезе коллекторов, оценка эффективной пористости и эффективной мощности пласта, определение характера флюида, заполняющего пласт (по времени продольной релаксации t₁, имеющем различные значения для газа, воды, нефти).

Вы можете изучить и скачать доклад-презентацию на тему Ядерно-магнитный каротаж Радиоактивный каротаж. Презентация на заданную тему содержит 48 слайдов. Для просмотра воспользуйтесь проигрывателем, если материал оказался полезным для Вас - поделитесь им с друзьями с помощью социальных кнопок и добавьте наш сайт презентаций в закладки!

Ядерно-магнитный каротаж основан на измерении ядерной намагниченности горных пород в разрезе скважины. Благодаря наличию механического и магнитного моментов, ядра атомов многих элементов подобно намагниченному волчку ориентированы и вращаются (прецессируют) вокруг направления магнитного поля Земли.

Принцип ЯМК заключается в следующем: Принцип ЯМК заключается в следующем: на породы воздействуют постоянным магнитным полем, под его влиянием магнитные моменты ядер элементов пород меняют свою ориентацию; после снятия поляризующего поля ядерные магнитные моменты, возвращаясь к исходной ориентации, свободно прецессируют, создавая своё, затухающее во времени электромагнитное поле, напряженность которого измеряется. Индуцированная полем в катушке зонда эдс является сигналом свободной прецессии.

Амплитуда сигнала зависит только от количества ядер водорода, находящихся в составе подвижной жидкости, заключенной в порах породы. Амплитуда сигнала зависит только от количества ядер водорода, находящихся в составе подвижной жидкости, заключенной в порах породы. Сигнал свободной прецессии от ядер других элементов, входящих в состав твердой фазы породы и вязкого вещества ее пор, а также от ядер водорода кристаллизационной и связанной воды скважинной аппаратурой не регистрируется. Для характеристики амплитуды сигнала свободной прецессии в ЯМК используется индекс свободного флюида (ИСФ) — отношение начальных амплитуд сигналов, наблюдаемых при ЯМК и в дистиллированной воде.

Решаемые задачи: определения эффективной пористости пород (ИСФ ~ Кп. ), выделения коллекторов (неколлекторы на диаграммах не выделяются и ИСФ = 0), выяснения характера насыщения пластов, определения эффективной мощности продуктивных коллекторов.

Зонд ЯМК состоит из катушки и коммутатора, попеременно подключающего ее к источнику постоянного тока силой 2-3 А. Зонд ЯМК состоит из катушки и коммутатора, попеременно подключающего ее к источнику постоянного тока силой 2-3 А. Ось катушки перпендикулярна оси скважины. При подключении катушка создает в окружающем пространстве поляризующее постоянное магнитное поле в направлении, перпендикулярном оси скважины, т. е. в случае вертикальной скважины практически перпендикулярном вектору магнитного поля Земли (T). В этой связи метод ЯМК затруднительно применять в наклонных и горизонтальных скважинах. Величина поляризующего поля примерно в 100 раз больше поля Земли. Ток пропускают, пока не закончится продольная релаксация (не более 2-3 с). После выключения поляризующего поля, спустя мертвое время (tM = 25-30 мс ), в катушке регистрируют наведенную ЭДС.

РТ – реле остаточного тока; РТ – реле остаточного тока; К – коммутатор; СУ – скважинный усилитель; У – усилитель; ИУ – измерительное устройство; П – источник тока поляризации; БУ – блок управления; Д – детектор; РП – регистрирующий прибор; ВУ – вычислительное устройство.

Радиоактивность Среди других радиометрических методов исследования скважин наиболее распространенным является метод естественной радиоактивности горных пород или, как его чаще называют, гамма – метод. В его основе лежит изучение закономерностей изменения естественной радиоактивности горных пород, обусловленной присутствием главным образом урана и тория с продуктами распада, а также радиоактивного изотопа калия К40. остальные радиоактивные элементы (Rb87, Zr96, La138, Sm147 и т.д.) имеют столь большие периоды полураспада, что при существующей распространенности в земной коре заметного вклада в суммарную радиоактивность внести не могут.

Радиоактивностью основных минералов, входящих в состав осадочных горных пород, колеблется в весьма широких пределах – от сотых долей до нескольких тысяч пг-экв Ra/г. Все эти минералы по радиоактивности могут быть разбиты на четыре группы. Радиоактивностью основных минералов, входящих в состав осадочных горных пород, колеблется в весьма широких пределах – от сотых долей до нескольких тысяч пг-экв Ra/г. Все эти минералы по радиоактивности могут быть разбиты на четыре группы. Соотношение вклада радиоактивных элементов в общую гамма-активность пород различно. Основной вклад вгамма-активность известняков и особенно доломитов даютRa (соответственно 64% и 75%),вклад Ra, Th, K в радиоактивность песчаников примерно одинаков (Ra 23-26%, Th 40%, K 35%).В связи с этим спектр естественного гамма-излучения терригенных и карбонатных пород различен.

Группы радиоактивных минералов В первую группу, характеризующуюся низкой радиоактивностью, входят основные составляющие осадочных горных пород минералы : кварц, доломит, ангидрит, гипс, кальцит, сидерит, каменная соль. Вторая группа минералов со средней радиоактивностью представлена отдельными минеральными разностями типа : лимонит, магнетит, турмалин, корунд, барит, олигоклаз, роговая обманка и др. К третьей группе минералов относятся : глины, слюды, полевые шпаты, калийные соли, характеризующиеся повышенной радиоактивностью, и некоторые другие минералы. В четвертую группу входят акцессорные минералы, радиоактивность которых более чем в 1000 раз превышает радиоактивность минералов первой группы.

Сцинтилляционный счетчик. Индикатором гамма – излучения является прозрачный кристалл, молекулы которого обладают свойством сцентилляции – испускания фотонов света при воздействии гамма – квантов. Фотоны отмечаются фотоумножителем и вызывают поток электронов к аноду (ток). Большим преимуществом сцентиллятора является высокая эфективность счета (регистрируется до 50 – 60% гамма – квантов, проходящих через кристалл) по сравнению с другими типами счетчиков, эффективность которых 1 – 5%. Это позволяет уменьшить длину счетчиков с 90 до 10 см, улучшить вертикальное расчленение и обеспечить малую статическую флуктуацию.

ЯДЕРНО-МАГНИТНЫЙ КАРОТАЖ
Основан на измерении ядерной
намагниченности горных пород в
разрезе скважины.
Благодаря наличию механического и
магнитного моментов, ядра атомов
многих элементов подобно
намагниченному волчку
ориентированы и вращаются
(прецессируют) вокруг направления
магнитного поля Земли.

Принцип ЯМК заключается в следующем:
-на породы воздействуют постоянным
магнитным полем, под его влиянием
магнитные моменты ядер элементов пород
меняют свою ориентацию;
-после снятия поляризующего поля ядерные
магнитные моменты, возвращаясь к исходной
ориентации, свободно прецессируют, создавая
своё, затухающее во времени
электромагнитное поле, напряженность
которого измеряется. Индуцированная полем в
катушке зонда эдс является сигналом
свободной прецессии.

-Амплитуда сигнала зависит только от
количества ядер водорода, находящихся в
составе подвижной жидкости,
заключенной в порах породы.
-Сигнал свободной прецессии от ядер других
элементов, входящих в состав твердой
фазы породы и вязкого вещества ее пор, а
также от ядер водорода
кристаллизационной и связанной воды
скважинной аппаратурой не
регистрируется.
- Для характеристики амплитуды сигнала
свободной прецессии в ЯМК используется
индекс свободного флюида (ИСФ) —
отношение начальных амплитуд сигналов,
наблюдаемых при ЯМК и в
дистиллированной воде.

5. Решаемые задачи:

РЕШАЕМЫЕ ЗАДАЧИ:
•определение эффективной пористости
пород (ИСФ ~ Кп. ),
•выделения коллекторов (неколлекторы
на диаграммах не выделяются и ИСФ =
0),
•выяснения характера насыщения
пластов,
•определения эффективной мощности
продуктивных коллекторов.

6. Ядерно-магнитные свойства флюидов и насыщенных ими горных пород при 20С

Ядерно-магнитные свойства флюидов и насыщенных ими
горных пород при 20 С
Порода, флюиды
Т1, мс
ИСФ,
%
Т2, мс
Сильное
поле
(300 Гс)
Слабое поле (0,5 Гс)
Вода дистиллированная,
100
содержащая
растворённый
воздух
500-1500
2300
2300
Вода, содержащая в 1 л: 200 г 92
NaCl
100
0,4 г CuSO4
500-1500
50-100
1700
180
1650
180
Нефть
5-100
250-1200
250-1200
250-1200
Конденсат
100
500-1500
до 3500
До 3500
Песчаник водонасыщенный
Песчаник нефтенасыщенный
0-40
0-40
30-100
30-200
100-1500
250-1200
150-1500
250-1200
Известняк водонасыщенный
Известняк нефтенасыщенный
0-40
0-40
30-200
30-200
до 2000
250-1200
до 2000
250-1200
Глина
0
20
-
-

Зонд ЯМК состоит из катушки и
коммутатора, попеременно
подключающего ее к источнику
постоянного тока силой 2-3 А.
Ось катушки перпендикулярна оси
скважины. При подключении катушка
создает в окружающем пространстве
поляризующее постоянное магнитное
поле в направлении, перпендикулярном
оси скважины, т. е. в случае
вертикальной скважины практически
перпендикулярном вектору магнитного
поля Земли (T).
В этой связи метод ЯМК
затруднительно применять в
наклонных и горизонтальных
скважинах.
Величина поляризующего поля
примерно в 100 раз больше поля Земли.
Ток пропускают, пока не закончится
продольная релаксация (не более 2-3 с).
После выключения поляризующего поля,
спустя мертвое время (tM = 25-30 мс ), в
катушке регистрируют наведенную
ЭДС.

РТ – реле остаточного
тока;
К – коммутатор;
СУ – скважинный
усилитель;
У – усилитель;
ИУ – измерительное
устройство;
П – источник тока
поляризации;
БУ – блок управления;
Д – детектор;
РП – регистрирующий
прибор;
ВУ – вычислительное
устройство.

Многие атомные ядра обладают собственным моментом количества движения или моментом механического движения (спином) и связанным с ним магнитным моментом.

Момент количества движения - мера вращательного движения тела или системы тел относительно центра или оси. Он измеряется произведением момента инерции на угловую скорость движения (момент инерции - сумма произведений масс всех тел системы на квадраты их расстояний от оси вращения).

Вектор магнитного m и механического J моментов параллельны и связаны между собой соотношением:

g - коэффициент, называемый гиромагнитным отношениемядра (g =m/J).

Вследствие теплового движения магнитные момента ядер вещества ориентированы хаотически.

В постоянном магнитном поле Н ядерные моменты в результате взаимодействия друг с другом и с окружавшей средой ориентируются преимущественно в направлении вектора напряженности внешнего поля. Этот процесс называют спин-решетчатой (или термической, или продольной) релаксацией. Он ведет к возникновению макроскопической ядерной намагниченности вещества, которая характеризуется вектором М.

Релаксация - процесс перехода система из неравновесного состояния, вызванного внешними причинами, в равновесное.

Для обнаружения эффектов, связанных с ядерным магнетизмом, необходимы весьма чувствительные методы. Во всех этих методах (и в частности в ЯМК) используется резонансный контур, настроенный на частоту движения ядерных моментов в постоянном магнитном поле. Благодаря такому движению в контуре наводится электрический сигнал, величина которого пропорциональна ядерной намагниченности исследуемого вещества.

Принцип работы резонансного контура следующий. Через катушку индуктивности от генератора протекает переменный ток, частота которого равна частоте прецессия вращения ядер водорода. При наводке в колебательном контуре сигнала от синхронно прецессирующих ядер атомов среды в контуре возникает резонанс, т.е. резко повышается амплитуда сигнала прецессии.

В постоянном магнитном полевектор N прецессируетвокруг направления этого поля с угловой скоростью

называемой лармаровской частотой прецессии.

Так как угол q между векторами Н и М остается неизменным, то проекция вектора М на направление поля Н, М также не изменяется во времени. Поэтому вклад в величину сигнала должна давать только ортогональная вектору Н составляющая вектора М - М_^, которая вращается вокруг направления поля Н с угловой скорость w:

В постоянном и однородном магнитном поле М_^ снижается по экспоненциальному закону с течением времени (в 2,73 раза за время спин-спиновой (поперечной релаксации). Этовремя определяется взаимодействием ядерных спинов между собой и окружающей средой.

Если магнитные моменты находятся в неоднородном магнитном поле

то они прецессируют с различными частотами

поперечная составлявшая ядерной намагниченности М_^ исчезает со скоростью, пропорциональной величине неоднородности ДН. Поэтому наблюдение сигнала ядерной индукции в сильно неоднородном магнитном поле становится невозможным.

В скважинных условиях создать однородное поле Н в пластах горных пород практически не удается. Поэтому в качестве такого поля (поле прецессии) используют небольшое по величине, но очень однородное магнитное поле Земли Т. Частота прецессии ядерных магнитных моментов дня различных ядер в поле Т определяется величиной g и колеблется в широких пределах. Самая большая величина гиромагнитного отношения - у ядер водорода. Частота прецессии

ядер водорода в поле Т равна приблизительно 2000 Гц. Величина сигнала Е, наводимого в приемной катушке

N - число ядерных моментов в единице объема вещества;

j - безразмерный вектор механического момента ядра (проекция вектора J на выбранное направление называют спином ядра).

Из формулы следует, что наиболее подходящими объектамипри исследовании горных пород являются ядра водорода (т.к., во-первых, для них величина g максимальна, а во-вторых, они имеют повышенную концентрацию в горных породах).

Имеется и другая, более важная причина, по которой ЯМК применяют по ядрам водорода. Поперечная составляющая ядерной намагниченности созданной магнитными моментами ядер, входящими в состав твердого тела (или очень вязкого) вещества, исчезает за столь короткий отрезок времени, что не удается зарегистрировать сигнал свободной прецессии (т.е. это время поперечной релаксации примерно равно м 10 -4 с). "Мертвое" время аппаратуры ЯМК примерно 20-30 мс (2-3)*10 -2 с). В жидкостях механизм разрушенияmj имеет другой характер. Релаксация увеличивается до 1 с (и более).

Так, например, время поперечной релаксации воды без примесей парамагнитных ионов при комнатной температуре составляет примерно 3 с и увеличивается с увеличением температуры, достигая при 100°С 11 с.

Время поперечной релаксации нефти зависят от ее состава, вязкости и температуры. Оно всегда меньше, чем время релаксации воды и в зависимости от перечисленных факторов изменяется от 25 мс до 3 с.

Взаимодействие жидкости со стенками пор, распространяемое в результате диффузии на все молекулы жидкости, обуславливает значительное уменьшение времени релаксации. Поэтому время поперечной релаксации жидкости в мелких порах, которые обычно заполнены водой, меньше "мертвого" времени аппаратуры ЯМК, и эта жидкость не дает вклада в величину регистрируемого сигнала.

Глинистый раствор также не дает вклада в величину регистрируемого сигнала, т.к. он представляет собой дисперсный раствор с весьма большой суммарной поверхностью глинистых частиц, и взаимодействие молекул воды с ними приводит к уменьшению времени релаксации до значений меньше "мертвого" времени аппаратуры.

СП - скважинный прибор

И - катушка индуктивности

СУ - усилитель скважинного прибора

У - усилитель мощности

П - источник питания

РТ - реле остаточного тока

БУ - блок управления

ИУ - измерительное устройство

ВУ - вычислительное устройство

Рис **. Структурная схема аппаратуры ЯМК.

Регистратор - осциллограф серийной каротажной станции, магнитный накопитель и т.д.

Измерения выполняются циклами. В начале цикла катушка И с помощью коммутатора К подключается к источнику тока поляризации П. При протекании in по катушке (рис. ***, а) в среде, окружающей скважину, создается поляризующее магнитное поле Н_п, действующее в течение времени поляризации t_п. Практически время t_п выбирается равным (3-5)*Т₁. По истечении этого времени в наземной части аппаратуры при помощи реле остаточного тока РТ ток поляризации уменьшается до величины I_oc. Этот ток протекает через катушку в течение времени t_oc, достаточного для затухания переходных процессов в катушкеИ, после чего катушка И отключается от источника тока блоком управления БУ. Параллельно с этим в окружающей среде идет процесс приобретения ядерной намагниченности при протекании токов через катушку И и ее разрушения при их отсутствии (рис. ***. б).

После выключения остаточного тока I_oc в среда начинается прецессия ядер водорода, (рис. ***. в), которая индуцирует е.д.с. в катушке индуктивности И, затухающую во времени (рис. ***, г). Наведенная в катушке е.д.с. ССП усиливается усилителем скважинного прибора СУ и по каротажному кабелю подается на поверхность.

В наземной части аппаратуры е.д.с. ССП усиливается по мощности высокочастотным усилителем У и выпрямляется детектором Д.

Хотя величина I_oc намного ниже I_п тем не менее после его выключения в катушке протекают переходные процессы, что вызывает необходимость измерения е.д.с. ССП только после прошествия катушку индуктивности при создании поляризующего (in) и остаточного (ioc) магнитных полей.

Диаграмма ядерной намагниченности окружающий, среда.

Диаграмма свободной прецессии ядер водорода окружающей среда.

Диаграмма измерения ССП.

Рис. ***. Временные диаграммы аппаратуры ЯМК

По значениям U₁ и U₂, или U₂ и U₃ вычислительное устройство ВУ определяет начальную амплитуду U₀:

Величины U₁, U₂, U₃ и U₀ регистрируются, как функции глубины погружения скважинного прибора. Масштаб записи диаграмм устанавливается в значениях так называемого индекса свободного флюида - ИСФ.

Свободным называется флюид способный к гидродинамическому перемещению под действием перепада давления.

Под ИСФ понимают объем свободного флюида в пласте, определенный по концентрации протонов, отнесенный к общему объемуводы в пласте и измеряемый в процентах:

Значениям ИСФ, равным нулю и 100%, соответствует начальная амплитуда ССП, получаемая при измерениях в отсутствии свободного флюида и при погружении зонда ЯМК в чистую воду.

Кроме U₀, которое пропорционально содержанию водорода в породе, при ЯМК может определяться также время продольной релаксации T₁.

Измерения T₁ ведутся при остановках зонда против исследуемого пласта и может быть выполнено как в слабом поле, так и в сильных полях поляризации.

Слабым называется поле, энергия взаимодействия которого с магнитным моментом электронной оболочки (внешней) много меньше энергии взаимодействия этой оболочки с магнитным моментом ядра.

Для определения времени продольной релаксации T₁ в сильном поле (в поле поляризации Нп) выполняется несколько циклов измерений при различиях времени поляризации t_п. В каждом цикле за время t_п вектор ядерной намагниченности и соответствующий ему сигнал свободной прецессии успевает достичь величинM_i, U₀_i и U_i, зависящих от t_п_i и времени продольной релаксации T₁ в данной среде. Используя совокупность измерений в нескольких циклах получают переопределенную систему уравнений:

- значение максимальнойамплитуды сигнала ССПпри t_П стремящемся к бесконечности. Решив такую систему можно найти Т1 и для данной среды. При определении времени продольной, релаксации Т₁ в слабом поле Нос (в поде остаточного тока) измерения выполняются при фиксированном времени действия остаточного поля tос.

Величину Т₁ определяют из переопределенной системы уравнений:

Глубинность метода практически равна 1,58*dс (dс - диаметр скважины.

Область применения ЯМК и решаемые геологические задачи.

ЯМK является эффективным методом исследования глубоких скважин, бурящихся на нефть и газ и позволяет решать следующие задачи:

1) Определять индекс свободного флюида - ИСФ. В свою очередь это позволяет дифференцировать разрез скважины по ИСФ, выделять коллекторы нефти, газа и воды, определять такой важный их параметр, как эффективная пористость в сложных геологических условиях.

Эффективная пористость - пористость, содержащая свободный флюид.

2) Определять время продольной релаксации Т₁. Это позволяет оценивать характер флюидов в пластах (см. таблицу) т.е. различать водоносные и нефтеносные пласты.

1) Невозможность исследования обсаженных скважин (так как магнитное поле становится крайне неоднородным и не возникает ОСП).

2) Ограничения на применение метода накладывают горные порода и промывочная жидкость с большой магнитной восприимчивостью (это понижает сигнал прецессии).

Читайте также: